易燃易爆环境里的“守门人”：防爆型氧化锆氧分析仪如何兼顾精准测氧与安全

在石油、化工、冶金、电力等工业现场，我们常常会碰到一个“两难局面”：一方面要精确监测烟气或工艺气中的氧含量，从而优化燃烧、保证工艺、减少排放；另一方面，现场又弥漫着各种可燃可爆气体，稍有不慎，分析仪自身都可能成为“点火源”。防爆型氧化锆氧分析仪，就是在这样的背景下诞生的专门设备——它在继承氧化锆高精度测氧能力的基础上，通过防爆设计，把自己严严实实地“封装”在安全外壳里，在易燃易爆环境中依然能安心、可靠地工作。

下面，我们从原理、防爆思路、结构特点、应用场景和选型维护几个角度，系统地看一看防爆型氧化锆氧分析仪。

一、核心没变：依然是“高温氧浓差电池”

防爆型氧化锆分析仪在测氧原理上，与普通氧化锆分析仪是一脉相承的，它仍然是“高温氧浓差电池”。

在高致密氧化锆陶瓷（ZrO₂）的两侧制作多孔铂电极，当两侧氧分压不同时，在高温（约650–850℃）条件下，氧会在高氧侧获得电子变为氧离子（O²⁻），通过氧化锆晶格迁移到低氧侧，再释放电子变回氧分子。

这个过程中，两侧电极之间会产生一个与氧浓度差相关的电动势E，其关系满足能斯特方程。通过测E、已知温度和参比气（通常是空气）氧浓度，就可以算出被测气体的氧含量。

防爆型并没有改变这个原理，它只是在“如何安全地把传感器放进危险区”这件事上，做了大量额外工作。

二、为什么要“防爆”：不是怕烧，是怕引爆

所谓“防爆”，并不是说仪器可以扛住爆炸而不损坏，而是指：

在正常和特定故障条件下，分析仪内部产生的火花、电弧、高温表面等，不会引燃外部环境中的可燃气体混合物；

即使发生内部爆炸，也不会向外传播，不会“引爆”整个危险区域。

这类危险区域通常按标准划分为不同的爆炸性气体环境（如Ⅰ类为矿井甲烷，Ⅱ类为工厂常见可燃气），再细分为A、B、C等子类，对应不同气体爆炸特性。防爆型氧化锆分析仪的防爆等级会明确标注，例如Ex dⅡCT4，其含义是：

Ex：防爆设备；

d：隔爆型，外壳可承受内部爆炸、阻止火焰传播；

Ⅱ：工厂用气体环境；

C：气体爆炸特性较危险的一组（如乙烯、氢气等）；

T4：设备最高表面温度不超过135℃。

只有通过专业防爆认证（如国家防爆电气产品质量监督检验中心认证）并取得防爆合格证的产品，才能在相应的危险区域安装使用。

三、防爆如何实现：从外壳到设计的多重防线

防爆型氧化锆分析仪的实现，是一整套系统工程，主要包括以下几方面：

1）隔爆外壳（Ex d）

外壳通常采用铝合金或不锈钢材质，厚度和结构设计满足防爆标准要求。关键点在于：

接合面宽度、间隙严格控制在规范范围内；

螺栓数量、扭矩符合要求；

电缆引入采用防爆格兰或防爆填料函，防止火花沿电缆传播。

隔爆外壳确保即使内部发生可燃气体点燃爆炸，火焰和高温气体通过接合面逸出时被冷却到安全温度、能量不足以引燃外部环境。

2）本安设计与限能（部分产品）

有的防爆型分析仪采用本质安全型（Ex i）设计，即通过限制电路中的电压、电流、电感、电容等参数，使即使在故障情况下产生的火花能量也低于可燃气体的最小点燃能量。

对于氧化锆分析仪来说：

高温加热部分必须和本安电路做物理/电气隔离；

信号输出4–20mA通常要经过隔离栅再进入非危险区，防止危险能量逆传。

3）温控与表面温度限制

氧化锆探头自身需要工作在几百摄氏度，但设备外壳表面温度必须严格控制，不超过防爆等级对应的T组别（如T4≤135℃）。设计上会采用：

隔热结构，把高温探头部分“包”在内部，使外部壳体温度降低；

温控与保护电路，当出现异常加热导致壳体温度超标时自动断电保护。

4）防护等级与环境适应性

防爆型设备通常还要求较高的防护等级（如IP65/IP66），防水、防尘、防腐蚀，避免因壳体锈蚀或进水而降低防爆性能。

四、结构特点：防爆壳体内的“测氧系统”

一台典型的防爆型氧化锆氧分析仪，大致包括防爆检测器探头和防爆变送器两大部分。

1）防爆检测器（探头）

氧化锆锆头：采用高温氧浓差电池，加热方式内置加热炉，通过PID控制在700℃或750℃恒温点；

参比气系统：有的采用热扩散参比（无需外加参比空气泵），利用空气自然扩散提供参比氧；有的带小型参比气泵，确保参比稳定；

防腐护套：针对含硫、氯等腐蚀性烟气，护套和锆头结构会做防腐设计，如采用321、316L不锈钢护套，表面做特殊涂层，提高寿命；

过滤与防堵设计：前端设陶瓷或金属烧结过滤器，阻挡大颗粒灰尘；有的带反吹接口，可用仪表风定时反吹防止堵塞；

探头整体封装在隔爆外壳中，接线盒、加热接线等全部在防爆壳内完成。

2）防爆变送器（转换器）

防爆外壳：通常为隔爆型，壁挂或盘装式，带玻璃观察窗以便读数；

信号处理：对探头输出的毫伏信号进行放大、滤波、温度补偿、线性化处理；

显示与操作：LCD显示屏，氧量、温度、本底电势等参数可视化，多语言菜单（含中文）便于操作；

输出与通信：

4–20mA标准电流输出，与主电路光电隔离，可直接进入DCS/PLC，回路负载可达750Ω；

RS-485通信接口，可接入SCADA或数据采集系统；

报警与安全：氧量上/下限报警、温度超限报警、传感器故障等多种报警输出，继电器节点可按需设为常开/常闭；

校准与维护：支持本底电势一键校正、标准气在线校准等功能，简化现场维护。

五、典型应用场景：哪里“危险”，哪里就有它

防爆型氧化锆氧分析仪几乎覆盖了所有“测氧”和“易燃易爆”并存的重工业领域。

1）石油化工与炼油

催化裂化装置再生器：监测再生器烟气氧含量，控制烧焦过程，优化催化剂再生，防止超温或欠氧烧焦；

加氢装置、重整装置：在富含氢气、烃类的气氛中，精确控氧对防止催化剂老化、控制反应深度至关重要；

火炬与尾气系统：监测氧含量，既保证安全，又优化燃烧/排放。

2）天然气处理与化工合成

天然气加热炉、转化炉：氧量过高会带来爆炸风险、损坏炉管；过低则燃烧不充分，能耗和CO上升；

甲醇、合成氨等装置：控制转化炉、加热炉氧量，维持温度分布和反应效率。

3）冶金与焦化

高炉、热风炉：测氧有助于调节燃烧气氛，提高燃料利用率；

焦炉加热系统：含焦炉煤气等可燃气，需要既安全又精确地控制氧量。

4）电力与环保

燃煤、燃气锅炉的炉膛/尾部烟道：在防爆要求较高的区域（如炉前油枪附近、燃气锅炉区域）使用防爆型氧分析仪；

垃圾焚烧、危废焚烧：烟气成分复杂，既有可燃成分，又含腐蚀性气体，需兼顾防爆与防腐。

六、选型时必须盯紧的关键点

1）防爆等级与适用区域

先明确现场危险区划分：Ⅰ区、Ⅱ区？0区、1区、2区？气体组别（ⅡA/ⅡB/ⅡC）和温度组别（T1–T6）？

再对照设备的防爆标志，确保其认证范围覆盖现场环境，不能“降级使用”。

2）测氧量程与精度

常见量程0–10%、0–25%O₂，甚至可在0–5%低量程工作，满足不同工况需求；

系统测氧基本误差通常≤±2%满量程，高精度场景应关注这一指标。

3）工作温度与探头类型

根据安装点烟气温度选择标准型（烟温<700℃）还是高温型（烟温≥700℃）；

烟气温度过高时，需要加长护套或外带冷却/隔热结构。

4）腐蚀与粉尘环境

含硫、氯、碱等腐蚀性气体时，要选用防腐型探头和护套，采用耐腐蚀材料和保护管设计；

高粉尘场合需考虑过滤精度、反吹方案，防止堵塞或磨损。

5）安装方式与维护通道

探头插入深度一般为“炉墙厚度+300mm”，常规有400/600/800/1000/1200mm可选，也可定制；

要预留足够的安装、拆卸、检修空间，尤其是防爆壳体积较大，更要注意操作空间。

七、使用与维护：防爆与测氧性能两手抓

1）严格按照防爆要求安装

严禁私自改装防爆结构，必须使用厂家配套或认证的防爆密封接头、电缆等；

壳体接地要可靠，避免静电积聚；

防爆设备必须定期进行防爆专业检查，确保密封面完好、螺栓紧固、标志清晰。

2）合理投运与升温

新安装或检修后投运时，先检查接线、气路无误，再送电；

探头升温要按规程逐步进行，避免热应力损坏锆管；

温度未达到恒温点前，不要把氧量信号投入控制。

3）定期校准与标定

使用标准气进行空气点、标准气点和工况点三参数标定，提高系统精度；

注意标准气成分要与被测烟气接近，减少可燃气等交叉影响；

定期做本底电势校正，消除探头老化带来的系统误差。

4）监控寿命，提前计划备件

氧化锆锆头一般寿命2–5年不等，与烟气温度、成分、启停次数密切相关；

通过观察本底电势、响应时间、测量稳定性等参数的变化，判断探头是否接近寿命终点；

防爆探头整体更换时，要确认备件同样具备相应的防爆认证。

防爆型氧化锆氧分析仪，本质上是在“高精度测氧”和“在危险环境中安全存在”之间找到一个平衡点。它用严谨的结构设计和可靠的制造工艺，把“测氧”这一基础功能放进了最严苛的现场环境中。

从企业的角度看，防爆型设备既是对工艺和效率的支撑，更是对人身安全和设备资产的底线保障。选型时把防爆等级吃透，维护时把防爆要求当“硬约束”，才能让这些设备在危险环境里长期稳定地发挥作用。